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特高压直流与常规直流工程最后断路器保护浅析

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江6 2010年9月 苏电机工程 第29卷第5期 Jiangsu Electrical Engineering 特高压直流与常规直流工程最后断路器保护浅析 许卫刚1,张志宏1 7单哲 ,查申森2,汪道勇3 (1.常州供电公司,江苏常州213003;2.江苏省电力设计院,江苏南京211102; 3.国网运行分公司,上海201708) 摘要:为防止逆变站交流系统甩负荷后引起的严重过电压,通常会在逆变站安装最后断路器保护。在 ̄800kV向 家坝一上海直流工程中,ABB公司采用了不同于常规直流的最后断路器保护设计理念 从保护信号采集、保护逻辑、 存在隐患等方面。阐述了特高压直流和常规直流中的最后断路器保护,并进行了对比分析。指出了常规直流最后断 路器保护在设计上的局限性以及特高压直流最后断路器保护在运行中可能存在的问题.并提出了改进意见。该研究 有助于提高现有直流工程的运行可靠性.并对将要投产的特高压直流工程的运行维护工作有一定指导意义。 关键词:特高压直流;常规直流;最后断路器保护:过电压 中图分类号:TM86 文献标志码:A 文章编号:1009-0665(2010)05—0006-05 最后断路器保护是直流工程逆变站的重要保 护。当逆变侧失去交流电源后.由于换流母线上连 接的大量无功补偿设备不能立即切除.如果直流系 统未能及时闭锁.直流系统将会继续向其充电,从 而引起严重的暂时过电压.对阀、避雷器、换流母线 1.1.1断路器及隔离开关分合接点信号 通过采集断路器和隔离开关的接点信号.从而 判断该间隔是否在隔离状态。一个断路器单元(包括 一个断路器和两把隔离开关)中只要有一个设备在 拉开位置.即判定该断路器单元在隔离(Disconnect) 等造成影响¨I3】 为了防止这种情况的发生.在高压 状态:当交流出线对应的边断路器单元和中断路器 单元或两个边断路器单元都为隔离状态时.即判定 该间隔在隔离状态 图2为通过断路器和隔离开关 接点判断交流间隔是否隔离的逻辑,其中拉开为1. 直流输电系统的逆变站中通常都安装了最后断路器 保护.以确保在发生上述情况时可以迅速将阎闭 锁 。但是在常规直流的实际应用中.该保护暴露出 一些问题.存在安全隐患。因此在4-800 kv向家坝~ 合上为0 : 上海直流工程中.ABB公司采取了不同的保护设计 思路 文中对特高压直流和常规直流最后断路器保 护进行了对比分析.指出了可能存在的隐患。并提出 相应的整改建议 对目前在运的直流换流站和将投 产的特高压直流换流站的运行维护工作有一定指导 意义 垫 r一 : : ! 垫 I≥l 垫 I 垫 厂  : : !垫 J:  :垫 l≥l ≥1 wI Q3拉开r一 垫 f≥1 W1Q3——Disconnect ——…1常规直流最后断路器保护 1.1保护信号 : . 常规直流中的最后断路器保护.通常需要采集 交流场的开关量和运行参数作为动作判据.交流场 接线如图1所示。 交流出线1 交流出线2 拉开I W2 Q12 !!垫 l≥1 引 W2( ̄l_Disconneet lw2.Q2拉开一W2Q 14拉开l .  一‘  ll I  ≥l I W2.Q3拉开一: ! 苎 f≥1 W2.Q16拉开l W2 Q3Disconnect 图2来自接点的间隔隔离逻辑 1.1.2线路电流信号 当故障发生在站外而不是站内时.无法通过断 路器和隔离开关的分合接点来判断间隔是否隔离. Wl间隔 W2间隔 因此必须加入电流的判据。当交流出线上的电流值 低于电流参考值(政平站该参考值为50 A.华新站 该参考值为7O A),且直流极为解锁状态时.即可判 图1交流场接线 收稿日期:2010—06—19 许卫刚等:特高压直流与常规直流工程最后断路器保护浅析 7 定该间隔为隔离状态。图3为通过电流判断交流问 隔是否隔离的逻辑。 解锁信号交流出线1电流交流出线1电流A相 B相 此外,当一个间隔隔离而另一个间隔不隔离时. 系统会发出“只剩一条线路(only one line left)”的告 —— 警.提醒运行人员注意。该逻辑是通过异或门(相同 为0.相异为1)来实现的。图5为常规直流最后断路 &L-一 器保护跳闸逻辑.来自ABB设计的三一常直流工程 交流出线1电流C相 解锁信号 交流出线电流 相l交流出线2电流卷等2 CA相 ~  广__ & 一D—iscon隔ne t 图3来自电流的间隔隔离逻辑 1.1.3断路器跳闸信号 通过采集断路器跳闸接点(early make )信号来判断该间隔是否为跳闸状态(trip) 当交流出线对 应的边断路器单元为隔离状态时.另外两个断路器 只要有一个跳闸:或另两个断路器为隔离状态时, 交流出线对应的边断路器跳闸.即可判定该间隔为 跳闸状态 此外.在对侧交流站也装有最后断路器 装置.它是一个PLC装置.通过对线路相关的本站 断路器和隔离开关位置接点进行判断分析。并结合 相关保护动作信号.从而确定是否给换流站发跳闸 信号_5’6_ 图4为判断交流间隔是否跳闸的逻辑 WlQ1一隔离 W 1.Q3 early make 信号I≥1一 r_  lWl间隔 & ≥1 W1.Q1 early make信号 l—Trip WI.Q2 Q3 隔离& 来自对站的Wl问隔跳闸信号 w2问隔 Trip 图4 I司隔跳l嗣逻辑 1-2保护逻辑 当一个间隔处于隔离状态时.如果发生另一个 间隔跳闸的事件.最后断路器保护就会动作.使双 极闭锁 如图5所示。当W1问隔在隔离状态时.如 果W2间隔发生跳闸事件,同时还满足以下条件: (1)直流在解锁状态;(2)本系统为工作系统;(3) 本站为逆变站.最后断路器保护就出口跳闸 当W2 间隔为隔离状态时。跳闸逻辑也一样 动作后果为: (1)双极Y闭锁;(2)跳开交流侧换流变出线开关; (3)启动开关失灵保护;(4)启动故障录波;(5)闭 锁禁止切换系统 政平换流站Hidraw软件 解锁状态 工作系统 本站为逆变站 WI间隔Disconnect  l丽雨二亍 ——r_1& 最后断路器保 护启动阀闭锁 & 面 筹 —_T_-1& L 发only oBe =1 lineleft报警 (异或) 图5常规直流最后断路器逻辑 1.3存在隐患 正常情况下.采用上述保护逻辑是没有问题的. 常规3 000 MW的直流系统的最小功率是300 MW (低于最小功率时.极会闭锁) 在只有两条线路的情 况下.如果线路电流低于50 A或70 A时.两条交流 线路的功率相加才50~70 Mw.此时极早已闭锁 但在特殊运行工况下却可能存在安全隐患。龙政直 流逆变侧政平换流站就存在这样的问题 政平站建站之初.在从500 kv武南站来的两回 线路(政武5273线,政南5274线)上安装了最后断 路器保护.2004年政平站扩建了到岷珠站的两回交 流线路:岷政5271线,岷平5272线 由于岷珠站只 有两台750MW的主变.在失去5273线.5274线的 情况下.不足以支撑龙政直流额定功率运行.因此 5273线.5274线的最后断路器保护仍保留了下来 (5271线,5272线上没有设置最后断路器保护)。在 秋冬季直流小功率运行方式下 受交流系统潮流影 响.直流输送的大部分功率经过5271线和5272线 送到岷珠站去.在5273线和5274线上输送的功率 很小.有时功率潮流方向甚至会反向.即武南站的功 率通过5273线和5274线转送到岷珠站 在这种情 形时.5273线.5274线中的一次电流有效值就有可 能在50 A以下。按照保护逻辑(见图3)。软件会将 本处于运行状态的间隔误判为处于隔离状态.若此 时5273线和5274线两条线路中一条电流小于50 A,另一条发生故障引起线路保护动作跳闸,政平站 最后断路器保护将会动作并导致直流双极Y闭锁。 而实际上.此时的交流出线并未全部断开.系统不应 该向换流器发出闭锁指令 而且这样的小功率完全 可以通过5271线和5272线送到岷珠站,没必要双 极闭锁。因此,在上述这种特殊的运行方式下,直流 8 江苏 电机工程 系统的可靠性被大幅度降低。 此外.最后断路器保护逻辑中还存在另一个安 全隐患:在5273和5274两条交流出线同时跳闸(或 解锁状态 同时收到来自武南站的最后断路器跳闸信号)时.系 统反而不会发出闭锁指令(见图5) 如果此时双极 运行在大功率下(如3 000 MW)时.将导致大功率 全部转移到岷政5271线和岷平5272线上.超过了 岷珠站目前所能承受的容量。从而引起政平站内设 备过电压 1.4改进措施 1.4.1小负荷运行隐患 为了防止小负荷状态下交流最后断路器保护误 动作.现场采取了一些临时措施.即当龙政直流较长 时间处于低功率运行时.修改Hidraw软件.将电流 判据由“5O A”改为“一50 A”f即取消最后一个断路 器保护的电流判据)。待大功率后再恢复 ]。但该措 施不够完善.由于需要人为判断功率水平并修改保 护定值.存在一定风险,给现场人员带来很大安全压 力.因此应该对软件逻辑进行修改。可以考虑在逻辑 中加入判据。即设定一个功率参考值,在该参考值之 下就退出最后断路器保护的电流判据.超过参考值 就投入电流判据。图6为修改后的软件逻辑.虚线部 分为增加的功率判据 一一一一。…~一 ., 功率值 厂]、、 、熏 i解锁信号~一一一一一 一一 竺 :  lWl间隔 电流参考值 &  fDisco ̄ect 交流出线电线 电1 B1 流 相C l… 、,l  l— 兰兰三 图6修改后的电流判断逻辑 还可以进一步考虑。当直流系统运行在大功率 工况下时.如果发生最后断路器保护动作的情况,可 以不闭锁双极直流.而是只闭锁单极或紧急降功率。 这样可靠性大大提高.对系统的冲击也可以减小到 最低 要实现相关功能有赖于对系统潮流的计算和 仿真研究.对现有软件的改动也较大。 1.4.2最后断路器保护拒动隐患 为了消除武南站最后断路器保护装置动作后政 平站最后断路器保护不起作用的隐患.可考虑将两 个问隔的跳闸状态取与.当同时为1时.即可启动保 护跳闸 图7为修改后的最后断路器保护跳闸逻辑, 虚线部分为增加的判断同时跳闸的逻辑 2特高压直流最后断路器保护  ̄800 kV特高压直流系统输电线路长、输送容 图7修改后的最后断路器保护跳闸逻辑 量大.两端换流站配置无功补偿设备的单组容量及 总容量均 ̄L ̄500 kV直流工程高得多.因此应更加 重视最后断路器跳闸故障引起的过电压l8】。 根据仿真研究.表1【8]列出了特高压直流双极 额定功率运行时逆变站发生最后断路器跳闸后不同 闭锁延时避雷器能耗计算结果 一”表示能耗/电 流为0,避雷器不动作)。 表1逆变站最后断路器跳闸直流 不同闭锁延时避雷器能耗 通过计算避雷器能耗.并与参考值进行比较, 可以判断是否出现交流系统甩负荷.从而确定是否 闭锁直流 以下以±800 kV直流特高压奉贤换流站 为例进行分析.图8为奉贤站高端换流变进线区域 接线 2.1保护信号 2.1.1电压量 从高端换流变进线区域的电压互感器TV3出 来的三相电压量经过换相电压计算器后得到换流阀 网侧电压,取其最大值.经一定时间保持后滤波得到 许卫刚等:特高压直流与常规直流工程最后断路器保护浅析 9 1/3 600)乘以1 000后与上次计算的积分值相乘并 取负,经积分器计算后与跳闸值R啷(奉贤站为3.1 MJ)进行比较,如果大于或等于跳闸值,就发A相最 后断路器保护动作信号至总出口逻辑。能量释放计 高端y/A 换流变 图8奉贤站高端换流变进线区域接线 保护所需的电压量 2.1.2电流量 最后断路器保护所需的电流量来自高端换流变 进线区域的电流互感器TA4.该电流互感器用于测 量流过避雷器F1的三相电流值 现场采集的数据 通过eTDM总线到达保护主机后.经过滤波、取绝 对值等处理,得到保护所需要的三相电流值 ,2,厶 2.2保护逻辑 2.2.1能量积分 最后断路器保护按每相进行计算.以A相为 例,当电压量 超过电压定值 血(奉贤站为460.0 kV)时以及电流量, 超过电流定值 (奉贤站为 20.0A)时,选择器选通积分计算回路,将,,与电压 常数 一(奉贤站为0.595 MV)相乘,经积分器计算 后与跳闸值 。(奉贤站为3.1 MJ)进行比较,如果 大于或等于跳闸值.就发A相最后断路器保护动作 信号至总出口逻辑。图9为避雷器能量积分逻辑 图9能量积分计算逻辑 积分公式如下: = 一 ×UconstX, 其中: 为上一次积分的值;△ 为保护软件的中 断周期,单位为Tic,1 Tic=1 ms 2.2.2能量释放 最后断路器保护按每相进行计算.以A相为 例,当电压量 和电流量, 中有一个或两个都小 于定值时.开放能量释放计算 脉冲发生器每隔 1 000 Tic就发出一次脉冲.由0变1.进行一次能量 释放计算。将避雷器散热常数 删一(奉贤站为 算逻辑见图l0。 图10能量释放计算逻辑 能量释放的积分方程如下: EL =ErAT(1一 ×Rcoolconst) 2.2_3出口逻辑 当同时满足以下条件时.最后断路器保护会出 口:(1)任一相发最后断路器保护动作信号;(2) 大于电压定值 m(本条件起到联锁作用,防止保护 误动);(3)最后断路器保护设置为可用;(4)换流站 为逆变站:(5)没有收到闭锁最后断路器保护的信 号。图11为特高压直流最后断路器保护出口逻辑 A相最后断路器保护动作—— B相最后断路器保护动作1磊 鬲瓢 葡  ≥l.  最后断路器 l比 篓 卜 垦堕堑堕 堡 堡墨 里旦I J来自自检系统的“闭锁 本站为逆变站 I最后断路器保护”信号 图11特高压直流最后断路器保护出口逻辑 动作后果为:(1)z闭锁;(2)换流器隔离;(3) 启动故障录波 2.3存在隐患 +800 kV向家坝一上海直流工程是第一次采用 避雷器动作特性作为最后断路器保护判据.相对于 常规直流中采用的最后断路器保护设置.其更多地 依赖一次设备的性能.因此对避雷器提出了更高的 要求。必须要保证避雷器在交流甩负荷情况下的能 耗能满足保护动作要求.使保护正确动作 在保护定 值的设置上要考虑能躲开站内操作过电压.防止误 动。由于避雷器存在个体差异.因此与其特性有关的 定值,如散热常数等的设定也很重要。此外,在保护 设置上还可能存在以下隐患:保护只采集高端换流 10 江苏 电机工程 变进线区域的电压值以及避雷器电流值.如果高端 换流变退出检修.出现一个完整极加一个l/2极运行 研究[R].北京:中国电力科学研究院.2007. [3]周[4]刘静.马为民.石岩.等.±800kV直流输电系统的可靠 的模式或者两个l/2极运行的模式时.将失去该极的 最后断路器保护功能,从而带来安全隐患。 性及其提高措施[J].电网技术,2007,31(3):7一l2. 云.王明新.曾南超.高压直流输电系统逆变站最后断路 跳闸装置配置原则[J].电网技术,2006,30(6):35—40. 3结束语 常规直流中的最后断路器保护主要检测断路 器、隔离开关接点和线路电流,逻辑较为简单,在特 殊情况下还可以修改定值.退出部分保护功能 但保 护需要检测的环节较多.在特定工况下会出现动作 后果不合理的情况。通过采取整改措施,可以进一步 [5]邓洁清.项巍.武南变最后断路器保护装置内部逻辑分析 及优化[J].电力自动化设备,2008,28(7):l2卜123. [6]廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社。20o4. [7]田庆.政平换流站最后断路器保护逻辑分析[J].水电能源 科学,2009,27(1):177—179. [8]王华伟,蒋卫平。吴娅妮.等.云广±800kV特高压直流工程 逆变站最后断路器跳闸故障研究[J].电网技术.2008.32 (18):06—09. 提高系统可靠性 特高压直流中的最后断路器保护 采用计算避雷器能耗作为保护判据.需要检测的量 比较少。但与一次设备的性能关系较紧密.其实际效 果还需要经过系统调试和现场运行的检验 在今后直流工程中应根据工程实际情况.综合 考虑站内出线、电网潮流变化、设备可靠性等各种因 素后.确定最后断路器保护的选型。 参考文献: [1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版 社.2004. 作者简介: 许卫刚(1977一),男,江苏常州人,工程师,从事高压直流系统的 运行维护及管理工作: 张志宏(1975一),男,江苏常州人,工程师,从事高压直流系统的 运行维护及管理工作: 单哲(1980一),男,湖北随州人,工程师,从事高压直流系统的 运行维护及管理工作: 查申森(1980一),男,安徽芜湖人,工程师,从事变电站电气回路 设计工作: 汪道勇(1981一),男,四川西昌人,工程师,从事高压直流系统的 运行维护及管理工作。 [2]蒋卫平.朱艺颖,吴娅妮.等.±800kV级直流工程过电压 Analysis of the Last Breaker Protecti0n in UHVDC and Conventional HVDC Projects XU Wei-gang ,ZHANG Zhi—hong‘,SHAN Zhe ,ZHA Shen—sen%WANG Dao-yongs (1.Changzhou Power Supply Company,Changzhou 2 1 3003,China;2.Jiangsu Electic Power rDesign Institute, Nanjing 21 1 102,China;3.State Grid Operation Company,Shanghai,201708,China) Abstract:The last breaker protection is usually installed in inverter station against the severe over-volage caused by ltoad shedding of AC system.A new last breaker protection design concept diferent from convention is adopted by ABB in± 800kV Xiangjiaba-Shanghai UHVDC project.The comparative analysis of the last breaker protection in UHVDC and conventional HVDC projects is pursued with protection signal acquisition,protection logic,safety hazard etc.The limits of the last brekear protection designed in HVDC project and problems possibly OCCUr in UHVDC project are pointed out. Finally,the corresponding suggestion is also presented.The study is helpful to improve the reliabiliy of existtng HVDC iprojects,and is useful for het operation and maintenance of utfure UHVDC projects. Key words:UHVDC;HVDC;the last breaker protection;overvolage t(上接第5页) Review on Handling Methods for Uncertain Unit Commitment ZHAO Jin・quan,WANG Jing (Energy&Electrical College,Hehai Universiy,Natnjing 2 1 0098,China) Abstract:As the issue associated with uncertainty optimization in essence,the handling methods for uncertain unit commitment are becoming more and more important as a large number of renewable distributed power generation equiFIments represented by wind power are integrated into power grid.Three diferent technology including stochastic programming,fuzzy optimization and chance-constrained programing based on scheme tree are analyzed just丘om the aspects ofessential data,the complexiy tofthe calculation,the dependence ofparameters and he solvitng methods.Since any ofthe three kinds oftechnology has its own advantages,choice may be made according to he acttual situation. Key words:unit commitment;uncertainty;stochastic programming;fuzzy optimization;chance・conslrained programming 

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